[发明专利]绝缘体上的硅(SOI)衬底的制造工艺

说明书

本发明涉及一种在膜厚的均匀性和消除膜的空位(或空洞)及界面态方面性能良好的SOI衬底的制造工艺，更具体地说，涉及一种适用于在玻璃等的透明绝缘衬底上或在其上带有氧化膜的硅衬底上的单晶半导体层内制造的高功能度和高性能电子器件，高集成度的集成电路等的SOI衬底的制造工艺。

众所周知，在绝缘体上形成单晶硅半导体层的技术是绝缘体上的硅技术(SOI)，因为这种衬底具有许多由用于制造普通的硅集成电路的体硅衬底不能得到的优点，故对它进行了许多研究。〔SOS和SIMOX〕

一种常规的SOI技术是所谓的SOS(兰宝石上的硅)，它是在蓝宝石晶体上以异质外延方式生长硅层的技术，但以异质外延方式生长的硅晶体的质量较差。同样，SIMOX(利用注入氧的分离)作为一种SOI形成技术被实际应用，该技术是将许多氧离子注入到硅中并在其后对生成物进行退火，由此用被埋在自硅表面至约0.2微米位置范围内的注入氧形成SiO₂层。但是，注入许多氧离子和退火需要许多时间，这在生产率和成本方面是不利的，而且离子注入在SOI硅层中引起许多晶体缺陷。而减少氧离子注入在目前要保持氧化层的膜质量是困难的，并且也认为改变注入的SiO₂膜层的厚度是困难的。〔键合SOI〕

在近来报道的SOI形成技术中，有一种一般称为“键合SOI”的技术，在质量方面特别好。在该技术中，将两个晶片的镜状表面互相紧密地粘合在一起，其中至少一个晶片具有用氧化等方法形成的绝缘膜，对其进行退火以增强粘合界面的连接，其后从任一侧对该衬底进行抛光或刻蚀以便在绝缘膜上留下具有任意厚度的硅单晶薄膜。本技术中最重要一点是一个将硅衬底减薄为薄膜的步骤。详细地说，通常要将厚达几百微米左右的硅衬底均匀地抛光或刻蚀到几微米或甚至1微米或更小，这从技术上讲在可控性和均匀性方面是非常困难的。大体上有两种将硅减薄成薄膜的途径。其中之一是只通过抛光来进行减薄的方法(BPSOI：键合和抛光SOI)，另一方法是紧接在要留下的薄膜的上面(实际上，在制造单一衬底的过程中是紧接在薄膜下)设置刻蚀中止层以及完成衬底刻蚀和刻蚀中止层的刻蚀的两个阶段的方法(BESOI：键合和内刻蚀SOI)。由于在BESOI中经常在预先形成的刻蚀中止层上外延生长硅有源层，故为了保证膜厚的均匀性，这种BESOI迄今被认为是有利的。但是，由于该刻蚀中止层经常含有高浓度的杂质，故它将引起晶格的畸变，这将导致晶体缺陷传播到外延层的问题。在外延层氧化时或键合后的退火时也存在杂质扩散并由此改变刻蚀特性的可能性。

在这些键合SOI中，如在键合表面中有污染物或因为键合表面的较差的平整度而存在凹凸不平，则许多称为“空洞”的孔隙将在键合界面处出现。从这一点来考虑，上面讨论的BESOI在许多情况下是不利的。其理由如下。通常例如通过异质外延生长、通过CVD或通过带有高浓度杂质掺杂的外延生长来形成刻蚀中止层。在CVD的情况下，特别是在异质外延生长的情况下，所得到的平整度往往不如通过抛光得到的平面的平整度，有时通过离子注入来形成刻蚀中止层，但在这种情况下其平整度也下降。〔新的BESOI技术〕

一种可得到键合表面的良好的平整度、如在BESOI中那样的有源层的均匀膜厚以及比常规的BESOI高几个数量级的内刻蚀选择性的技术的例子是用阳极氧化使硅衬底的表面成为多孔和在其上外延生长硅有源层的技术(日本专利申请公开第5-21338号)。在这种情况下，该多孔层对应于BESOI中的刻蚀中止层。但是，由于在用一种基于氢氟酸的刻蚀剂的情况下与单晶硅相比多孔硅的刻蚀速率非常高，故认为高选择性刻蚀特性比刻蚀中止层更重要。由于该技术不是通过CVD而是通过平的单晶硅衬底表面的阳极氧化来形成多孔硅层，故外延生长的有源层的平整度变得比通过CVD等方法形成刻蚀中止层的BESOI中的有源层的平整度好。在该表面上生长的外延层具有可得到接近等于在非多孔的单晶衬底上生长的外延层的结晶性能的特性。这一点可使我们能使用与具有高可靠性的在单晶硅衬底上面的外延层等效的单晶薄膜作为有源层，由此来提供具有良好的结晶性和具有良好的膜厚的均匀性的SOI衬底。